DEL0019890MA - - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
Tag der Anmeldung: 13. September 1954 Bekanntgemacht am 21. Juni 1956
DEUTSCHES PATENTAMT
Bereits mehrfach sind Verfahren angegeben worden, die dazu dienten, einkristalline Halbleiterkörper
durch Ziehen aus der Schmelze mit Hilfe eines Impfkristalls herzustellen. Dabei wurde im allgemeinen ein einkristalliner Impfkristall
in die Schmelze des betreffenden Halbleitermaterials eingetaucht und unter Rotation um
seine Achse aus dieser herausgezogen. Bei diesem Verfahren wächst das erstarrende Halbleiter- |
ίο material einkriställin an dem Impfkristall an.
Dieses Verfahren hat eine Reihe von Nachteilen. Zunächst bedarf es zur Herstellung von Einkristallen
mit einem wesentlichen Durchmesser eines großen apparativen Aufwandes, und die Schwierigkeiten, die die Erzeugung eines gleichmäßigen
Wachstums mit sich bringt, steigerten sich mit dem Durchmesser des erwünschten Kristalls. Hinzu trat dabei der Umstand, daß die
Grenzschicht zwischen der festen und der flüssigen Phase gekrümmt verlief, und zwar mit um so
stärkerer Krümmung, je dicker der gezogene Kristall war. Dies bewirkte, daß beim Ziehen von
Kristallen, die Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters aufwiesen, auch die Grenzschichten
zwischen diesen Zonen gekrümmt waren. Wollte man einen derart hergestellten Übergang, beispiels-
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L 19890 VIIIc/21g
weise zur Herstellung eines Trockengleichrichters, aus dem gezogenen Kristall ausschneiden, so mußten
die beiden Schnitte in einem Abstand geführt werden, der um einiges größer war als die durch
die Krümmung bedingte Erstreckung der Grenzfläche zwischen den Zonen in Richtung des Kristallwachstums.
Das hatte zur Folge, daß nicht nur sehr viel Material verbraucht wurde, sondern auch
noch der elektrische Widerstand des Gesamtsystems durch diesen Mehraufwand an Material
wesentlich erhöht wurde. Hinzu kam, daß durch die Krümmung der Grenzfläche unerwünschte elektrische
Nebenwirkungen eintraten.
Die Erfindung hat ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Halbleiterkörpers zum Gegenstand,
bei dem der Halbleiterkörper durch Ziehen aus der Schmelze mittels eines Impfkristalls hergestellt
wird und das sich von den bisher bekannten dadurch unterscheidet, daß der in die Schmelze
getauchte Impfkristall um eine solche Achse, die parallel zum Spiegel der Schmelze verläuft, gedreht
und gleichzeitig unter paralleler Verschiebung dieser Achse aus der Schmelze gezogen
wird. Mit Vorteil wird man dazu einen im wesentliehen stabförmigen, einkristallinen Impfkristall
verwenden und ihn mit seiner Mantelfläche in die Schmelze tauchen. Sodann wird er unter Rotation
um seine Achse aus dieser herausgehoben, so daß das Material der Schmelze einkristallin an der
Mantelfläche des Impfkristalls anwächst. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also Kristalle
gewonnen werden, die.einen größeren Durchmesser aufweisen als · die, die mit dem bekannten
Verfahren hergestellt werden. Das Wachstum er-' folgt nämlich nicht in Richtung der Länge des
Impfkristalls, sondern senkrecht dazu, so daß der fertiggestellte Halbleiterkörper sich in seiner
Länge nicht wesentlich von der Länge des Impfkristalls unterscheidet, wohl aber hinsichtlich
seines Durchmessers.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich
insbesondere zur Herstellung von Halbleiterkristallen, die mehrere in Richtung des Kristallwachstums
— also in Richtung senkrecht zur Achse des Impfkristalls — aufeinanderfolgende Zonen
mit von Zone zu Zone wechselndem Leitfähigkeitscharakter, enthalten. Der Kristall wird dabei aus
einer im wesentlichen aus dem reinen Material des ' Halbleiters bestehenden Schmelze gezogen, die
sowohl Donatoren- als auch Akzeptorenverunreinigungen in einem solchen Verhältnis enthält, daß
es eine zufolge der unterschiedlichen Abscheidungskoeffizienten der Verunreinigungen für dieses Verhältnis,
kritische Wachstumsgeschwindigkeit' gibt, bei der der gezogene Kristall Eigenleitung zeigt,
derart, daß bei einer über dieser kritischen Wachstumsgeschwindigkeit liegenden Wachstumsgeschwindigkeit die eine Verunreinigungsart, beispielsweise
die Donatoren, zu einem höheren Grade in den wachsenden Kristall eingebaut wird als die Akzeptoren, während bei einer unter dieser
kritischen Wachstumsgeschwindigkeit liegenden Wachstumsgeschwindigkeit die andere Verunreinigungsart,
beispielsweise die Akzeptoren, zu einem höheren Grade in den wachsenden Kristall eingebaut
wird' als die Donatoren. Es läßt sich also nach diesem Verfahren ein Halbleiterkörper herstellen,
der beispielsweise walzenförmig ist und dessen Seele beispielsweise p-leitend ist, während
der Mantel η-leitend ist. Die zwischen diesen beiden. Bereichen gebildete Sperrschicht ist also
ebenfalls zylindrisch. Solcher Art hergestellte Halbleiterkörper haben den Vorteil, daß die Randlänge
der an die Oberfläche tretenden Sperrschicht im Verhältnis zu deren Gesamtfläche sehr klein
gehalten werden kann, wodurch die an den Rändern auftretenden Störungen, beispielsweise durch
Luftfeuchtigkeit, weitgehend vermindert werden können.
Es ist indessen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, Halbleiterkörper herzustellen,
die höhere Spannungen sperren als es ein einzelner p-n-Übergang vermag. Die dazu erforderlichen Halbleiterkörper, bei denen Zonen unterschiedlichen
Leitfähigkeitscharakters in der Wachstums richtung des Kristalls abwechselnd aufeinanderfolgen
und bei denen die Übergänge zwischen den Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in ihrer Breite derart unterschiedlich
sind, daß sich an jedem zweiten Übergang eine Sperrschicht ausbildet und die so gebildeten Sperrschichten
gemeinsam in gleicher Stromrichtung durch den Halbleiterkörper sperren bzw. durchlassen,
während die dazwischenliegenden mindestens nahezu sperrschichtfrei sind, werden derart
hergestellt, daß die Zonenfolge durch Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit erzeugt Und an
Übergängen, die eine Sperrschicht erhalten sollen, die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit
schneller vorgenommen wird als bei den in entgegengesetztem Sinne erfolgenden Änderungen der
Wachstumsgeschwindigkeit, die zu mindestens nahezu sperrschichtfreien Übergängen führen.
Die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit wird durch Änderung der der Schmelze zugeführten
Heizleistung und/oder Änderung der Ziehgeschwindigkeit bewirkt. Dabei kann . die Ziehgeschwindigkeit,
die sich aus der zum Spiegel der Schmelze senkrechten Komponente der Umfangsgeschwindigkeit
des Kristalls an der Stelle, an der no der Kristall aus der Schmelze austritt und aus der
Geschwindigkeit zusammensetzt, mit der der Kristall angehoben wird, durch Änderung einer
der genannten Geschwindigkeiten beeinflußt werden. Es entstehen auf diese Weise Systeme hohlzylinderförmiger
Art, wie sie bereits geschildert worden sind, die jedoch wesentlich höhere Sperrspannungen
aufnehmen können als Systeme,, die nur einen p-n-Übergang enthalten, die aber trotzdem
den Vorzug haben, einkristallin zu sein.
Als Impfkristall zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich besonders
eine massive oder hohlzylindrische Walze. Die letztere kann aus einer massiven Walze mittels
spanabhebender Verfahren, beispielsweise durch Bohren, hergestellt werden. Besonders bewährt hat
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L 19890 VIII c/21g
es sich aber, das Bohren mit einem Elektronenstrahl vorzunehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Vorteil im Vakuum oder im Schutzgas durchgeführt.
Bei Substanzen, die bei ihrem Schmelzpunkt bereits einen merklichen Dampfdruck haben, findet
das Schutzgas besonders Anwendung, um Materialverluste durch Abdampfen zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich
ίο besonders zur Herstellung von Halbleiterkörpern,
die aus Germanium, Silizium oder einer intermetallischen Verbindung oder aus einer Legierung
mit diesen Stoffen bestehen.
Die so hergestellten Halbleiterkörper können einen beliebigen, vorzugsweise aber kreisförmigen
Querschnitt senkrecht zur Zylinderachse aufweisen. Sie können aber auch die Form von Ausschnitten
aus einem Hohlzylinder haben, was beispielsweise durch formgebende Bearbeitung nach
dem Ziehen bewirkt werden kann; d.h., es werden aus dem ursprünglich gebildeten Zylinder Kreisringe,
Segmente oder Sektoren ausgeschnitten, die die erforderliche Anzahl von Schichten unterschiedlichen
Leitfähigkeitscharakters aufweisen.
Es ist hierbei zudem möglich, die erzeugten Halbleiterkörper durch Abtragen so zu dimensionieren,
daß ihre geometrische Begrenzung ähnlich dem Verlauf der Sperrschicht oder Sperrschichten in
ihnen ist.
Die so erzeugten Halbleiterkörper eignen sich vorzüglich zur Verwendung in elektrisch unsymmetrisch
leitenden . Systemen, wie Trockengleichrichter oder Kristallverstärker, insbesondere
Transistoren. Dabei wird die an ihnen vorzunehmende Kontaktierung günstig an zwei im
wesentlichen parallel zueinander verlaufenden gegenüberliegenden Flächen vorgenommen. Es ist
von besonderem Vorteil, wenn eine der der Kontaktierung dienenden Elektrode zugleich als mes
40 chanische Halterung des Halbleiterkörpers dient. Zu besonders günstigen Kühlungsverhältnissen
gelangt man, wenn mindestens eine der Elektroden mit einem Kühlmittel in wärmeleitender Verbindung
steht. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, daß die Elektrode einen
Teil eines von den Kühlmitteln durchströmten Röhrensystems darstellt.
Die Kontaktierung zwischen dem Halbleiterkörper und der Elektrode wird in vielen Fällen
vorteilhaft mit Substanzen vorgenommen, die mindestens teilweise aus einem Material bestehen,
das geeignet ist, den Leitfähigkeitscharakter des Halbleiterkörpers in der Umgebung der kontaktierten
Fläche zu ändern.
Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung ein Beispiel des Herstellungsprozesses
sowie die mit dem .erfindungsgemäßen Verfahren zu erzielenden Vorteile und Ausführungsbeispiele
' von Trockengleichrichtern, die mit Halbleiter-
tio körpern versehen sind, welche mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt wurden.
In Fig. ι enthält der Tiegel 1 eine Halbleiterschmelze
2. In diese Halbleiterschmelze taucht ein Impfkristall 3,. der die Form eines Hohlzylinders
hat, mit seiner Mantelfläche ein. Während des Ziehverfahrens rotiert der Impfkristall 3 um die
angedeutete Achse 4 im Sinne des gekrümmten Pfeiles und wird zugleich aus der Schmelze angehoben.
Dabei wachsen an der Stelle, an der die Mantelfläche aus der Schmelze auftaucht, also
längs der angedeuteten Linie 5, auf den Hohlzylinder weitere Halbleiterschichten unter Wahrung
des einkristallinen Charakters auf. Es läßt sich z. B. ein einfacher p-n-Übergang dadurch bewirken,
daß ein η-leitender einkristalliner Impfkristall zum Ziehen aus einer Schmelze verwendet
wird, aus der sich p-leitende Substanz abscheidet.
Die Fig. 2 und 3 zeigen in Gegenüberstellung die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
gegenüber den bekannten. Zieht man z. B. nach den bekannten Verfahren Halbleiterkörper aus der
Schmelze, die Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters aufweisen, so bilden sich die
Zonen 6 an ihren Grenzflächen gekrümmt aus. Um eine bestimmte Zonenfolge aus dem Halbleiterkörper
auszuschneiden, müßten die Schnitte bei 7 und 8 geführt werden, wodurch bei 9 tote Räume
entstehen, die Materialverlust und steigenden Gesamtwiderstand mit sich bringen. Demgegenüber
ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, wie durch Fig, 3- dargestellt, Halbleiterkörper
herzustellen, bei denen die Grenzschicht 10 zwischen den Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters
stets annähernd den gleichen Abstand von den beiden Mantelflächen des Hohl-Zylinders
aufweisen. ■ - ■ ,
Halbleiterkörper, wie sie in Fig. 3 schematisch dargestellt sind, lassen sich z.' B. zu Trockengleichrichtern
verarbeiten, wie sie in Fig. 4 und 5 angegeben sind. . ' , .
In Fig. 4 ist mit 13 ein gut wärmeleitendes Rohr bezeichnet, durch das eine Kühlflüssigkeit in Pfeilrichtung
fließt. Über dieses Rohr ist der Halbleiterkörper 11 geschoben und mit ihm elektrisch
und mechanisch fest verbunden. Auf dem äußeren Mantel des Halbleiterkörpers 1 r befindet sich eine
weitere Elektrode 12..Enthält der Halbleiterkörper
11 bereits die in Fig. 3 angedeutete Sperrschicht 10, so wird die Kontaktierung zu den beiden
Elektroden so ausgeführt, daß der Halbleiterkörper gegen die Elektroden keine Sperrwirkung zeigt.
Besteht jedoch der Halbleiterkörpern aus einem Material mit homogenem Leitfähigkeitscharakter,
so wird man eine der Elektroden, insbesondere aber die Elektrode 13, unter Verwendung eines
Lotes mit dem Halbleiterkörper verbinden, das geeignet ist, diesen in der Nähe des Rohres 13
hinsichtlich seines Leitfähigkeitscharakters zu verändern. Die gleichen Überlegungen gelten für das
in Fig. 5 dargestellte System, bei dem die Elektrode 14 als Gefäß eines Siedekühlers 15 ausgebildet
ist.
Claims (20)
- PA T EN T ANSPR O G II E :i. Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Halbleiterkörpers durch Ziehen aus609 546/370L 19890 VHIc/21gder Schmelze mittels eines Impfkristalls, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Schmelze getauchte Impfkristall um eine solche Achse, die parallel zum Spiegel der Schmelze verläuft, ' 5 gedreht und gleichzeitig unter paralleler Verschiebung dieser Achse aus der Schmelze gezogen wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen stabförmiger einkristalliner Impfkristall mit seiner Mantelfläche und um seine Achse rotierend derart in eine Schmelze getaucht und aus dieser herausgehoben wird, daß das Material der Schmelze einkristallin an der Mantelfläche des Impfkristalls anwächst.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Herstellen von Halbleiterkristallen, die mehrere in Richtung des Kristallwachstums aufeinanderfolgende Zonen mit von Zone zu Zone wechselndem Leitfähigkeitscharakter enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus einer im wesentlichen aus dem reinen Material des Halbleiters bestehenden Schmelze gezogen wird, die sowohl Donator- als auch Akzeptorverunreinigungen in einem solchen Verhältnis enthält, daß es eine zufolge der unterschiedlichen Abscheidungskoeffizienten der Verunreinigungen für dieses Verhältnis kritische Wachstumsgeschwindigkeit gibt, bei der der gezogene Kristall Eigenleitung zeigt, derart, daß bei einer über dieser kritischen Wachstumsgeschwindigkeit liegenden Wachstums-, geschwindigkeit die eine Verunreinigungsart, beispielsweise die Donatoren, zu einem höheren Grade in den wächsenden Kristall eingebaut wird als die Akzeptoren, während bei einer unter dieser kritischen Wachstumsg'eschwindigkeit liegenden Wachstumsgeschwindigkeit die andere Verunreinigungsart, beispielsweise die Akzeptoren, zu einem höheren Grade in den wachsenden Kristall eingebaut wird als die Donatoren.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3 zum Herstellen von Halbleiterkörpern, bei denen Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in der Wachstumsrichtung des Kristalls abwechselnd aufeinanderfolgen und bei denen die Übergänge zwischen den Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in ihrer Breite derart unterschiedlich sind, daß sich an jedem zweiten Übergang eine Sperrschicht ausbildet und die so gebildeten Sperrschichten gemeinsam in gleicher Stromrichtung durch den Halbleiterkörper sperren bzw. durchlassen, während die dazwischenliegenden mindestens nahezu . sperrschichtfrei sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonenfolge durch Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit erzeugt wird und an Übergängen, die eine Sperrschicht erhalten sollen, die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit schneller vorgenommen wird als ■ bei den im entgegengesetzten Sinne erfolgenden Änderungen der Wachstumsgeschwindigkeit, die zu mindestens nahezu sperrschichtfreien Übergängen führen.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehgeschwindigkeit, die sich aus der zum Spiegel der Schmelze senkrechten Komponente der Umfangsgeschwindigkeit des Kristalls an der Stelle, an der der Kristall aus der Schmelze austritt und aus der Geschwindigkeit, mit der der Kristall angehoben wird, zusammensetzt, durch Änderung einer der genannten Geschwindigkeiten beeinflußt wird. <
- 6. Verfahren nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit durch Änderung der der Schmelze zugeführten Heizleistung und/oder Änderung der Ziehgeschwindigkeit bewirkt wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Impfkristall eine massive oder hohlzylindrische Walze verwendet wird. .
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlzylindrische Walze aus einer massiven zylindrischen Walze mittels spanabhebender Verfahren, beispielsweise durch v Bohren, hergestellt wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohren mit einem Elektronenstrahl vorgenommen wird.
- 10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß es im Vakuum oder unter einem Schutzgas ausgeführt wird.
- 11. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf die Herstellung von Halbleiterkörpern,1 die aus Germanium, Silizium oder einer intermetallischen Verbindung oder aus Legierungen mit diesen Stoffen bestehen.
- 12. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch seine Verwendung zum Herstellen von Halbleiterkörpern, die die Form eines Hohlzylinders mit beliebigem;, vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt senkrecht zur Zylinderachse aufweisen.
- 13. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper nach dem Ziehen einer formgebenden Bearbeitung unterzogen wird.
- 14. Halbleiterkörper, hergestellt nach Anspruch ι oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch seine Verwendung in elektrisch unsymmetrisch leitenden Systemen, wie Gleichrichtern oder Kristallverstärkern, insbesondere Transistoren.
- 15. Halbleiterkörper nach Anspruch 14, insbesondere ein Halbleiterkörper, der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 13 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er die Form von Ausschnitten aus einem Hohlzylinder aufweist.
- 16. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System mit einem Halbleiterkörper gamäß An-6<M 546/370'L 19890 VIII c 121gSpruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung an zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden, gegenüberliegenden Flächen erfolgt.
- 17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der der Kontaktierung dienenden Elektroden als mechanische. Halterung des Halbleiterkörpers dient.
- 18. System nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die eine der Elektroden mit einem Kühlmittel in wärmeleitender Verbindung steht.
- 19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode einen Teil eines von dem Kühlmittel durchströmten Röhrensystems darstellt.
- 20. System nach Anspruch 16 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung zwischen dem Halbleiterkörper und der Elektrode mit Substanzen vorgenommen wird, die mindestens teilweise aus einem Material bestehen, das geeignet ist, den Leitfähigkeitscharakter des Halbleiterkörpers in' der Umgebung der kontaktierten Fläche zu ändern.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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